动载荷下回采巷道锚固荷载演化机理与控制技术.pdf

国家自然科学基金青年科学基金项目51104152 中央高校基本科研业务费科技项目2011QNB02 “长江学者和创新团队发展计划”创新团队IRT1084 硕士学位论文 动载荷下回采巷道锚固荷载演化机理 与控制技术 Anchorage Load Evolution Mechanism and Control Technology under Dynamic load in Roadway 作 者张 磊 导 师郑西贵 副教授 李桂臣 副教授 中国矿业大学 二〇一四年五月 万方数据 学学位位论论文文使使用用授授权权声声明明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 动载荷下回采巷道锚固荷载演化机理 与控制技术 Anchorage Load Evolution Mechanism and Control Technology under Dynamic load in Roadway 作 者 张 磊 导 师 郑西贵 李桂臣 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 巷道围岩控制 答辩委员会主席 李学华 评 阅 人 薛俊华 阚甲广 二〇一四年五月 万方数据 万方数据 论论文文审审阅阅认认定定书书 研究生 张磊 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 岁月如梭，转眼间，三年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的门槛 上，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。中国 矿业大学以其优良的学习风气、严谨的科研氛围教我求学，以其博大包容的情 怀胸襟、浪漫充实的校园生活育我成人。值此毕业论文完成之际，我谨向所有 关心、爱护、帮助我的人们表示最诚挚的感谢与最美好的祝愿。 本论文是在郑西贵副教授、李桂臣副教授的悉心指导之下完成的。与导师 相处三年来，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风， 诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。导师不 仅授我以文，而且积极乐观的生活态度深深影响着我，虽历时三载，却赋予我 终生受益无穷之道。本论文也深受郑老师博士论文启发，论文从选题到完成， 几易其稿，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，在此 我向我的导师郑西贵副教授及李桂臣副教授表示深深的谢意与祝福 本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也 要感谢张农教授、许兴亮副教授、阚甲广副教授、季明老师、赵一鸣老师、韩 昌良老师在论文开题、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见，感谢课题组为本 论文提供的数据和建议，还要感谢同门的师兄师弟们，在科研过程中给我以许 多鼓励和帮助。回想整个论文的写作过程，虽有不易，却让我除却浮躁，经历 了思考和启示，也更加深切地体会了科研的精髓和意义，因此倍感珍惜。 同时，感谢曹栩、刘玉栋三年来的付出与关心、还要感谢同学刘海泉、孙 辉、刘长郄、田素川、王斌等以及师弟冯晓巍、花锦波、刘娜、洪昊等三年来 对我的爱护、包容和帮助，感谢室友钟耀华、于全想、李杰、孙永强对我生活 上的照顾与包容，愿友谊长存 还要感谢父母和女友在我求学生涯中给与我无微不至的关怀和照顾，一如 既往地支持我、鼓励我，愿将来能用自己的努力回报他们。 感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，由于作者水平有限，文中难 免有不足和疏漏之处，热切希望得到您们的批评指正。 张张 磊磊 2014 年年 4 月月于于南南湖湖 万方数据 万方数据 I 摘 要 回采巷道在井工开采的煤矿巷道中占 80以上，预应力锚固技术是当前使 用最为主流的支护技术， 本文针对回采巷道顶板锚固体安全问题， 采用理论分析、 数值计算和现场实测等综合研究方法， 系统研究了回采巷道在强烈动载作用下锚 固体受力波动演化规律，建立了锚固体荷载的传递“剪切－滑移力学模型” ，分 析了动载作用下锚固力与围岩协调变形的几何特征，形成了均压、让压等控制巷 道变形的恒阻支护手段，能够为煤矿安全高效生产提供理论支撑和技术支持，主 要研究内容如下 （1）基于锚固接触单元三线性剪切-滑移本构模型，提出了拉拔载荷作用下 粘锚力波形传递机制、自由段轴力演变过程，并基于此定义锚固系统安全系数， 分析了合理锚固长度的取值范围。 （2）利用数值计算软件 FLAC3D对受动力扰动下的锚固系统受力进行模拟 计算，对预应力锚固系统自由段、锚固段轴力及锚固剂剪切应力波动规律进行研 究，对巷道迎头掘进后方围岩岩体受力进行分析。 （3）提出临界预紧力阈值的概念，巷道受动力扰动条件下，当预紧力小于 该值时，锚杆对动载反应敏感；当预紧力达到该值时，无论是锚杆自由段还是 锚固段轴力均保持较低增长比。当预紧力超出该值后，自由段与锚固段轴力降 低幅度都在 1以内。随着动载强度的提高，预紧力动载阈值有增大的趋势。 （4）通过理论计算得出巷道围岩动力扰动前后塑性屈服区计算解析解。采 用有限差分数值计算软件 FLAC3D对动力扰动下巷道围岩力学响应进行了研究， 分析了不同原岩应力水平下动力对巷道应力场、位移场及塑性区范围的影响。 （5）分析了锚杆索协同承载理论，揭示了预应力锚杆及锚索在回采巷道加 固中的作用，介绍了新型高延伸率锚索及新型高阻让压均压控制技术，并阐述其 作用机理， 并提出了让均压锚杆与锚索及配套几种控制回采巷道大变形新型护表 构件的主要结构，共同保障回采巷道的稳定。 该论文有图 36 幅，表 5 个，参考文献 77 篇。 关关键键词词动载荷；锚固系统；锚固岩体；波动演化规律；控制技术 万方数据 II Abstract Roadway accounted for more than 80 in underground coal mine.Prestressed anchorage technique is the most widely used at present support technology,The paper aiming at the roof anchor safety problem of mining roadway,using theoretical analysis, numerical simulation and engineering practice and other research ,study the roadway anchorage force evolution under strong dynamic load,put forward the anchor loads transfer “shear-slip mechanics“ model.Analysis of the geometric characteristics of anchor force and surrounding rock deation under dynamic affect. the average pressure and constant resistance supporting means control roadway deation.which can provide theoretical support and technical support for the safe and efficient production in coal mine, the main research contents are as follows （ 1 ） Based on the three linear shear-slip constitutive model of contact unit,proposes adhesive force wave drawing load transfer mechanism and support force evolution of anchorage,and based on this,define the safety factor of anchorage system, analysis the reasonable range of anchorage length. （2）Use FLAC3D calculation software simulate the anchorage system force under dynamic disturbance,research the force fluctuation of prestressing anchor system of free section, anchor axial force and shear stress of anchoring agent,analysis the rock mass stress after roadway excavation. （3）Put forward the concept of critical pretightening force,in roadway under dynamic disturbance conditions, when the pretightening force is less than this value, bolt response sensitivity on dynamic,when the value is obtained,either free section or anchoring bolt axial force are kept low growth ratio.When the pretightening force beyond this value,the free section and anchor axial force decreased within 1. With the dynamic strength increase,the critical pretightening force have the tendency to increase. （4）Through the theoretical calculation of the plastic yielding area in roadway with and without dynamic disturbance.Using the software FLAC3D to study the surrounding rock response under dynamic disturbance,analyzed the stress field, displacement field and plastic zone of stress under different stress level. （5）Analysis of the anchor cable co-bearing theory,reveals the effect of the prestressed anchor and anchor cable in dynamic pressure roadway reinforcement, introduces a new type of high elongation cable and high resistance bolt control technology,and described its mechanism.Put forward let pressure bolt and cable and 万方数据 III several main control structure of dynamic roadway surface protecting component, together emsure the security of dynamic pressure roadway. The dissertation has 36 figures,5 tables,77 references. Keyword Dynamic load;Anchorage system;Anchorage rock mass;Wave evolution; Control technology 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ IV 图图清清单单 ..................................................................................................................... VIII 表表清清单单 ........................................................................................................................ XI 变变量量注注释释表表 ............................................................................................................... XII 1 绪绪论论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 3 1.3 存在的问题............................................................................................................. 7 1.4 论文研究的内容及方法......................................................................................... 9 2 预预应应力力锚锚固固系系统统力力学学特特性性演演化化理理论论分分析析 ............................................................. 11 2.1 锚固单元作用失效剪切滑移模型................................................................... 11 2.2 拉拔荷载作用下粘锚力波形传递机制............................................................... 12 2.3 拉拔荷载作用下自由段轴力演化规律............................................................... 18 2.4 合理锚固长度的确定........................................................................................... 20 2.5 本章小结............................................................................................................... 22 3 回回采采巷巷道道预预应应力力锚锚固固系系统统锚锚固固力力演演化化规规律律模模拟拟分分析析 ......................................... 23 3.1 回采巷道中动载理论分析................................................................................... 23 3.2 爆炸脉冲载荷下锚固系统荷载分布演化规律................................................... 25 3.3 工程动载中锚固系统载荷分布演化规律........................................................... 32 3.4 锚固系统动载临界预紧力值分析....................................................................... 34 3.5 本章小结............................................................................................................... 37 4 工工程程动动载载对对锚锚固固岩岩体体的的影影响响分分析析 ......................................................................... 38 4.1 动载对锚固岩体的损伤弱化效应....................................................................... 38 4.2 动载造成锚固岩体承载性能的衰减规律研究................................................... 41 4.3 数值模拟计算及分析........................................................................................... 45 4.4 本章小结............................................................................................................... 50 5 回回采采巷巷道道锚锚杆杆索索协协同同承承载载让让均均压压控控制制技技术术及及应应用用 ............................................. 52 万方数据 V 5.1 锚杆索协同承载理论........................................................................................... 52 5.2 新型锚杆索高阻让均压控制技术....................................................................... 54 5.3 动载扰动下护表构件........................................................................................... 58 5.4 朱集东矿 11 槽煤巷掘进控制应用实例..61 5.5 本章小结............................................................................................................. 614 6 结结论论与与展展望望 ............................................................................................................. 65 6.1 本文的主要工作及结论....................................................................................... 65 6.2 不足与展望........................................................................................................... 66 参参考考文文献献 ..................................................................................................................... 67 作作者者简简历历 ..................................................................................................................... 72 学学位位论论文文原原创创性性声声明明 ................................................................................................. 73 学学位位论论文文数数据据集集 ......................................................................................................... 74 万方数据 VI C Co on nt te en nt ts s Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables .............................................................................................................. XI 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Significance ................................................................................................................. 1 1.2 Summarize of Research Status .................................................................................................... 3 1.3 Main Problems ............................................................................................................................ 7 1.4 Research Contents and s ................................................................................................. 9 2 Analysis of the mechanical properties evolution in the prestressed anchor system ...................................................................................................................................... 11 2.1 Anchoring element effect-failure shear slip model ................................................................... 11 2.2 Adhesive force wave transfer mechanism under drawing load ......................................... 12 2.3 Axial force in free section transfer mechanism under drawing load ......................................... 18 2.4The determine of the reasonable anchorage length .................................................................... 20 2.5 Brief Summary .......................................................................................................................... 22 3 Analysis of prestressed anchorage system anchoring force evolution in dynamic pressure roadway ....................................................................................................... 23 3.1 Theoretical analysis of the dynamic load in dynamic pressure roadway .................................. 23 3.2 Anchorage system load distribution evolution under explosion pulse load .............................. 25 3.3 Evolution of the anchorage system load distribution in engineering dynamic load .................. 32 3.4 Analysis of anchorage system critical preload value in dynamic load ...................................... 34 3.5 Brief Summary .......................................................................................................................... 37 4 Analysis of the impact on the anchor rock under dynamic load ........................ 38 4.1 Anchor rock damage weakening effect under dynamic load..................................................... 38 4.2 Law of capacity of rock anchor decay caused by dynamic load ............................................... 41 4.3 Numerical Simulation and Analysis .......................................................................................... 45 4.4 Brief Summary .......................................................................................................................... 50 5 Dynamic Pressure Bolt Cable collaborative carrying allow equalizing control technology and application........................................................................................ 52 万方数据 VII 5.1 Synergistic Bearing Theory of prestressing anchoring ............................................................. 52 5.2 The new control technology of high resistance anchor ............................................................. 54 5.3 Surface protecting component under dynamic load .................................................................. 58 5.4 Control application in Zhuji East Mine11 slot driving .............................................................. 61 5.5 Brief Summary .......................................................................................................................... 64 6 Conclusion and Prospect ........................................................................................ 65 6.1 Main Conclusion ....................................................................................................................... 65 6.2 Insufficient and Prospects .......................